JP5656842B2 - Rare earth regenerator material particles, rare earth regenerator material particles, refrigerator using the same, measuring device, and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、蓄冷材粒子、蓄冷材粒子群、特に希土類蓄冷材およびそれを用いた冷凍機、測定装置並びにその製造方法に関する。 The present invention relates to a regenerator material particle, a regenerator material group, in particular, a rare earth regenerator material, a refrigerator using the regenerator material, a measuring device, and a manufacturing method thereof.
磁気浮上列車や核磁気共鳴による断層診断装置等で用いられる超電導技術において、超LSIパターン転写装置等の超高真空装置に用いられるクライオポンプ等の広い分野で極低温技術の発展は著しく、その実用化時代を迎えるに際し、より小型で高性能な冷凍機の開発実用化が進められている。特に超電導磁石や半導体製造装置での高真空形成用のクライオポンプなどが動作する絶対零度(−273℃)付近の環境を作り出す冷凍・冷却技術の重要性が高まっており、高い信頼性と優れた特性を持つ冷凍装置が希求されている。 In superconducting technology used in magnetic levitation trains and nuclear magnetic resonance tomography diagnostic devices, cryogenic technology has been developed in a wide range of fields such as cryopumps used in ultrahigh vacuum devices such as ultra LSI pattern transfer devices, and their practical use. As we enter the age of development, the development and commercialization of smaller and higher performance refrigerators are being promoted. In particular, the importance of refrigeration / cooling technology that creates an environment near absolute zero (-273 ° C) in which a superconducting magnet or a cryopump for forming a high vacuum in a semiconductor manufacturing apparatus operates is increasing, and high reliability and excellent There is a need for a refrigeration apparatus having characteristics.
従来、医療分野で断層写真を撮影する超電導MRI(核磁気共鳴イメージング)装置(画像測定装置)においては、超電導磁石を冷却するために、例えばギフォード・マクマホン型の小型ヘリウム冷凍機(GM冷凍機)が採用されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a superconducting MRI (nuclear magnetic resonance imaging) apparatus (image measuring apparatus) that takes tomographic photographs in the medical field, for example, a small helium refrigerator (GM refrigerator) of the Gifford-McMahon type is used to cool the superconducting magnet. Is adopted.
このGM冷凍機は、Heガスを圧縮するコンプレッサと、圧縮したHeガスを膨張させる膨張部と、膨張部で冷却されたHeガスの冷却状態を維持するための蓄冷部とを組み合せて構成されている。そして1分間に約60回のサイクルでコンプレッサにより圧縮されたHeガスを冷凍機で膨張させて冷却し、冷凍機の膨張部の先端部を通じて、被冷却系を冷却するものである。また、近年はパルス管冷凍機も開発されている。パルス管冷凍機は、高圧のHeガスを所定の周期で冷凍機に供給するタイプの冷凍機である。パルス管冷凍機はGM冷凍機と比べて振動が小さいことから、MRI装置などの測定時のノイズ発生を抑制できる。 This GM refrigerator is configured by combining a compressor that compresses He gas, an expansion unit that expands the compressed He gas, and a cold storage unit that maintains the cooling state of the He gas cooled by the expansion unit. Yes. Then, the He gas compressed by the compressor at a cycle of about 60 times per minute is expanded by the refrigerator and cooled, and the system to be cooled is cooled through the tip of the expansion portion of the refrigerator. In recent years, pulse tube refrigerators have also been developed. The pulse tube refrigerator is a type of refrigerator that supplies high-pressure He gas to the refrigerator at a predetermined cycle. Since the pulse tube refrigerator has less vibration than the GM refrigerator, it is possible to suppress the generation of noise during measurement by an MRI apparatus or the like.
いずれの用途の冷凍機であっても蓄冷部には、蓄冷材が充填されている。絶対零度付近、例えば10K以下、さらには4K以下の極低温領域で使用される冷凍機用蓄冷材としては、特許第2609747号公報(特許文献1)に示された希土類蓄冷材が有効である。特許文献1は、希土類蓄冷材粒子の粒径やアスペクト比を調整することにより、蓄冷材粒子の高密度充填を可能としている。 The regenerator is filled with a regenerator in any refrigerator. As the regenerator material for refrigerators used in the vicinity of absolute zero, for example, in an extremely low temperature region of 10K or less, further 4K or less, the rare earth regenerator material disclosed in Japanese Patent No. 2609747 (Patent Document 1) is effective. Patent Document 1 enables high-density filling of the regenerator particles by adjusting the particle size and aspect ratio of the rare earth regenerator particles.
一方、冷凍機の性能を向上させるために蓄冷部を多段式にすることが検討されている。例えば、特開2001−272126号公報(特許文献2)では2段式のパルス管冷凍機が開示されている。多段とすることにより、冷却速度を速くすることができる。また、冷却量も大きくできることから、大きな装置への使用も可能となっている。多段式にすることにより、Heガスの供給量や供給圧力を大きくしなければならなくなっている。 On the other hand, in order to improve the performance of a refrigerator, making a cold storage part multistage type is examined. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-272126 (Patent Document 2) discloses a two-stage pulse tube refrigerator. By using multiple stages, the cooling rate can be increased. Further, since the cooling amount can be increased, it can be used for a large apparatus. By using a multistage system, it is necessary to increase the supply amount and supply pressure of He gas.
冷凍機の冷凍性能は蓄冷材粒子表面にHeガスをどれだけ接触させられるかで決定される。従来の蓄冷材粒子は高密度充填を実現するために丸い粒子が用いられており、これ以上の高密度充填は困難である。仮に蓄冷材粒子同士の隙間に小さな蓄冷材粒子を充填しすぎると冷媒であるHeガスの通気性が悪化する。また、強い圧力を作用させながら充填することも考えられるが、過度に強い圧力を作用させて充填すると、蓄冷材が粉砕される結果、却って目詰まりの原因となる。このため、高密度充填を維持すると共にHeガスとの接触表面積を向上させることが可能な蓄冷材が希求されていた。 The refrigeration performance of the refrigerator is determined by how much He gas can be brought into contact with the surface of the regenerator particles. Conventional cold storage material particles use round particles in order to realize high density filling, and it is difficult to perform high density filling beyond this. If the small regenerator particles are excessively filled in the gaps between the regenerator particles, the air permeability of He gas, which is a refrigerant, deteriorates. In addition, it is conceivable to perform filling while applying a strong pressure. However, if an excessively strong pressure is used for filling, the cold storage material is crushed, which causes clogging. For this reason, the cold storage material which can maintain a high-density filling and can improve a contact surface area with He gas was calculated | required.
本発明は、以上のような問題を解決するためのもので、高密度充填を維持した上でHeガス等の作動媒体ガスとの接触表面積を大きくした希土類蓄冷材粒子を提供することを目的とする。また、接触比表面積を大きくした希土類蓄冷材粒子を効率よく製造できる製造方法を提供することをも目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a rare earth regenerator material particle having a large contact surface area with a working medium gas such as He gas while maintaining high-density filling. To do. Another object of the present invention is to provide a production method capable of efficiently producing rare earth regenerator particles having a large contact specific surface area.
本発明の希土類蓄冷材粒子群は、平均粒径が0.01〜3mmである希土類蓄冷材粒子群において、短径に対する長径の比が2以下である粒子の個数割合が90%以上であり、粒子表面に円周長の1/10〜1/2の長さを有する凹部が形成されている粒子の個数割合が30%以上であり、この凹部の深さが粒子直径の1/10以下であることを特徴とする。 In the rare earth regenerator particle group of the present invention, in the rare earth regenerator particle group having an average particle size of 0.01 to 3 mm, the ratio of the number of particles having a major axis to minor axis ratio of 2 or less is 90% or more, Ri der number proportion of particles recess having a length in the circumferential length of 1 / 10-1 / 2 on the particle surface is formed is 30% or more, less than 1/10 the depth of the recess is the particle diameter It is characterized by being.
また、前記凹部の深さは粒子直径の1/10以下であることが好ましい。また、希土類蓄冷材粒子が、Nd、Er3NiおよびHoCu2から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。Moreover, it is preferable that the depth of the said recessed part is 1/10 or less of a particle diameter. The rare earth regenerator particles are preferably at least one selected from Nd, Er 3 Ni, and HoCu 2 .
また、本発明の希土類蓄冷材粒子は、粒径が0.01〜3mmである希土類蓄冷材粒子において、短径に対する長径の比が2以下であり、粒子表面に円周長の1/10〜1/2の長さを有する凹部が形成されており、この凹部の深さが希土類蓄冷材粒子の直径の1/10以下であることを特徴とするものである。 Further, the rare earth regenerator material particle of the present invention is a rare earth regenerator material particle having a particle size of 0.01 to 3 mm, the ratio of the major axis to the minor axis is 2 or less, and 1/10 to the circumferential length on the particle surface. A recess having a length of 1/2 is formed, and the depth of the recess is 1/10 or less of the diameter of the rare earth regenerator material particle .
このような希土類蓄冷材粒子群は、希土類蓄冷材粒子群を充填した蓄冷容器を具備した冷凍機に好適に使用される。また、上記蓄冷容器は、メッシュ材を介して2段以上の蓄冷材充填領域を具備することが好ましい。
Such a rare earth regenerator particle group is suitably used for a refrigerator equipped with a regenerator container filled with the rare earth regenerator particle group. Moreover, it is preferable that the said cool storage container comprises the cool storage material filling area | region of two or more steps through a mesh material.
また、このような冷凍機を搭載した超電導磁石を具備した測定装置に好適に使用される。また、測定装置が、MRIイメージング(磁気共鳴映像装置)およびNMR(核磁気共鳴分析測定装置)の少なくとも1種であることが好ましい。 Moreover, it is used suitably for the measuring apparatus provided with the superconducting magnet which mounts such a refrigerator. Moreover, it is preferable that the measuring apparatus is at least one of MRI imaging (magnetic resonance imaging apparatus) and NMR (nuclear magnetic resonance analysis measuring apparatus).
また、本発明の第一の希土類蓄冷材粒子群の製造方法は、希土類元素を含有する金属溶湯を調製する工程と、アルゴン雰囲気中のチャンバ内で金属溶湯を、回転速度が7000〜11000rpmである回転ディスクに供給する工程と、上記回転ディスクにより弾かれた粒状金属溶湯を急冷する工程と、を具備することを特徴とするものである。また、金属溶湯を、直径が0.05〜2mmである噴射口から供給することが好ましい。また、前記回転ディスクはセラミックス製であることが好ましい。また、前記回転ディスクを800℃以上に予熱してから金属溶湯を噴射することが好ましい。 The first method for producing a rare earth regenerator material particle group of the present invention includes a step of preparing a molten metal containing a rare earth element, and a rotational speed of the molten metal in a chamber in an argon atmosphere of 7000 to 11000 rpm. A step of supplying to the rotating disk; and a step of rapidly cooling the granular metal melt struck by the rotating disk. Moreover, it is preferable to supply a molten metal from the injection nozzle whose diameter is 0.05-2 mm. The rotating disk is preferably made of ceramics. In addition, it is preferable to inject the molten metal after preheating the rotating disk to 800 ° C. or higher.
また、本発明の第二の希土類蓄冷材粒子群の製造方法は、希土類元素を含有する金属溶湯を調製する工程と、アルゴン雰囲気中のチャンバ内で金属溶湯を回転速度が7000〜11000rpmである回転ノズルから噴射する工程と、上記回転ノズルから噴射された粒状金属溶湯を急冷する工程と、を具備することを特徴とするものである。また、金属溶湯を、直径が0.05〜2mmである噴射口から供給することが好ましい。また、前記回転ノズルを800℃以上に予熱してから金属溶湯を噴射することが好ましい。 The second method for producing a rare earth regenerator particle group of the present invention includes a step of preparing a molten metal containing a rare earth element, and a rotation speed of the molten metal within a chamber in an argon atmosphere at a rotational speed of 7000 to 11000 rpm. A step of spraying from the nozzle, and a step of rapidly cooling the molten metal sprayed from the rotating nozzle. Moreover, it is preferable to supply a molten metal from the injection nozzle whose diameter is 0.05-2 mm. Moreover, it is preferable to inject the molten metal after preheating the rotating nozzle to 800 ° C. or higher.
本発明の希土類蓄冷材粒子群によれば、高密度充填を維持した上で、Heガス等の作動媒体ガスと蓄冷材粒子群との接触表面積を増大化させた希土類蓄冷材粒子を提供することができる。このため、上記蓄冷材粒子群を使用した冷凍機、さらにはその冷凍機を使用した測定装置の特性をも向上させることができる。 According to the rare earth regenerator particle group of the present invention, it is possible to provide a rare earth regenerator particle having an increased contact surface area between a working medium gas such as He gas and the regenerator particle group while maintaining high-density filling. Can do. For this reason, the characteristic of the refrigerator using the said cool storage material particle group, and also the measuring apparatus using the refrigerator can be improved.
また、本発明の希土類蓄冷材粒子群の製造方法によれば、本発明の希土類蓄冷材粒子群を効率よく製造することができる。また、本発明の希土類蓄冷材粒子を用いれば、効率よく希土類蓄冷材粒子群を構成することができる。 Moreover, according to the method for producing the rare earth regenerator material particle group of the present invention, the rare earth regenerator material particle group of the present invention can be efficiently produced. Moreover, if the rare earth regenerator material particle of this invention is used, a rare earth regenerator particle group can be comprised efficiently.
本発明の希土類蓄冷材粒子群は、平均粒径が0.01〜3mmである希土類蓄冷材粒子群において、短径に対する長径の比が2以下の粒子の個数割合が90%以上であり、粒子表面に円周長の1/10〜1/2の長さを有する凹部が形成された粒子の個数割合が30%以上であることを特徴とするものである。 The rare earth regenerator particle group of the present invention is a rare earth regenerator particle group having an average particle size of 0.01 to 3 mm, the ratio of the number of particles having a major axis to minor axis ratio of 2 or less is 90% or more, The number ratio of the particles in which the concave portions having a length of 1/10 to 1/2 of the circumferential length are formed on the surface is 30% or more.
まず、希土類蓄冷材は、希土類元素を構成元素として含むものである。希土類元素としては、Y(イットリウム)、La(ランタン)、セリウム(Ce)、プラセオジウム(Pr)、ニオブ(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)から選択された少なくとも1種または2種以上の元素が挙げられる。 First, the rare earth regenerator material contains a rare earth element as a constituent element. As rare earth elements, Y (yttrium), La (lanthanum), cerium (Ce), praseodymium (Pr), niobium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), Examples thereof include at least one element selected from terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), and ytterbium (Yb).
また、希土類蓄冷材は、希土類元素単体、Cuとの合金(金属間化合物含む)、Niとの合金(金属間化合物含む)、さらには希土類酸化物(希土類複合酸化物含む)、希土類酸硫化物などが挙げられる。希土類蓄冷材粒子の構成材料としては、Nd、Er3Ni、ErNi、HoCu2、Gd2O3、Gd2O2Sなどが挙げられる。In addition, rare earth regenerator materials include rare earth elements alone, alloys with Cu (including intermetallic compounds), alloys with Ni (including intermetallic compounds), rare earth oxides (including rare earth composite oxides), and rare earth oxysulfides. Etc. Examples of the constituent material of the rare earth regenerator particles include Nd, Er 3 Ni, ErNi, HoCu 2 , Gd 2 O 3 , Gd 2 O 2 S, and the like.
希土類蓄冷材粒子群は平均粒径が0.01〜3mmである。平均粒径が0.01mm未満であると、蓄冷容器に充填したときに蓄冷材粒子同士の隙間が過度に小さくなり、作動媒体ガス(Heガス)の通気性が悪化する。一方、平均粒径が3mmを超えて大きくなると、蓄冷材粒子同士の隙間が過度に大きくなり作動媒体ガスとの接触表面積を十分に確保できない。蓄冷材粒子群のより好ましい平均粒径は0.1〜0.5mmの範囲である。この範囲であれば、作動媒体の通気性および接触表面積が共に向上する。上記蓄冷材粒子群の平均粒径は粒度分布計で測定するものとする。各蓄冷材粒子の粒径Dは(短径S+長径L)/2で求める。 The rare earth regenerator particle group has an average particle diameter of 0.01 to 3 mm. When the average particle size is less than 0.01 mm, the gap between the regenerator particles becomes excessively small when the regenerator container is filled, and the air permeability of the working medium gas (He gas) is deteriorated. On the other hand, when the average particle size exceeds 3 mm, the gap between the regenerator particles becomes excessively large, and a sufficient contact surface area with the working medium gas cannot be secured. A more preferable average particle diameter of the regenerator material particle group is in the range of 0.1 to 0.5 mm. Within this range, both the air permeability and the contact surface area of the working medium are improved. The average particle size of the cold storage material particle group is measured with a particle size distribution meter. The particle diameter D of each regenerator particle is determined by (minor axis S + major axis L) / 2.
また、本発明の蓄冷材粒子群において、短径Sに対する長径Lの比が2以下の粒子の個数割合は90%以上に規定される。アスペクト比(L/S)が2以下の粒子が90%以上とは、真球に近い丸い粒子の割合が多いことを示している。丸い形状の粒子が多ければ蓄冷材粒子同士の接触を点接触にすることができるために、蓄冷材粒子群と作動媒体ガスとの接触面積を大きく稼ぐことができる。 In the regenerator material particle group of the present invention, the number ratio of particles having a ratio of the major axis L to the minor axis S of 2 or less is defined as 90% or more. 90% or more of the particles having an aspect ratio (L / S) of 2 or less indicates that the ratio of round particles close to a true sphere is large. If there are many round-shaped particles, the contact between the regenerator particles can be a point contact, so that the contact area between the regenerator particles and the working medium gas can be greatly increased.
なお、平均粒径が0.01〜3mmである希土類蓄冷材粒子であったとしても、上記アスペクト比が大きな粒子が多いと蓄冷材粒子同士の隙間にばらつきが生じ、作動媒体ガスの通気性が低下する。また、例えばアスペクト比が大きく細長い粒子が存在すると粒子同士の接触が点接触でなく面接触の部分が増加するために、作動媒体ガスとの接触表面積が小さくなる。このため、アスペクト比が2以下である粒子の割合は高い程有利であり、好ましくは95%以上、さらには100%がより望ましい。 In addition, even if it is a rare earth regenerator material particle having an average particle size of 0.01 to 3 mm, if there are many particles having a large aspect ratio, the gap between the regenerator particles is varied, and the air permeability of the working medium gas is increased. descend. Further, for example, when there are long particles having a large aspect ratio, the contact between the particles is not a point contact but a surface contact portion is increased, so that the contact surface area with the working medium gas is reduced. For this reason, the higher the proportion of particles having an aspect ratio of 2 or less, the more advantageous, preferably 95% or more, and even more preferably 100%.
蓄冷材粒子のアスペクト比(長径/短径)が2以下の粒子割合の測定は、200粒の蓄冷材粒子の拡大写真を撮影し、図1(A)に示すように、写真に写る各蓄冷材粒子の長径Lと短径Sとを測定して、アスペクト比(L/S)が2以下の粒子数のみを計数し、下記の算式により求める。 Measurement of the ratio of the particles having an aspect ratio (major axis / minor axis) of 2 or less of the regenerator particles is obtained by taking an enlarged photograph of 200 regenerator particles and as shown in FIG. The major axis L and the minor axis S of the material particles are measured, and only the number of particles having an aspect ratio (L / S) of 2 or less is counted and obtained by the following formula.
(アスペクト比2以下の粒子個数/200個)×100(%)
本発明の希土類蓄冷材粒子群は、上記のような平均粒径およびアスペクト比を具備するものにおいて、粒子表面に円周長の1/10〜1/2の長さの凹部を有する粒子の個数割合が30%以上であることを特徴とするものである。ここで上記円周長は前記粒径を有する球体の赤道長さ(πD)とする。(Number of particles having an aspect ratio of 2 or less / 200 particles) × 100 (%)
The rare earth regenerator particle group of the present invention has the average particle diameter and aspect ratio as described above, and the number of particles having a concave portion having a length of 1/10 to 1/2 of the circumferential length on the particle surface. The ratio is 30% or more. Here, the circumferential length is the equator length (πD) of the sphere having the particle diameter.
上記凹部2,3を有する蓄冷材粒子1の一例を図1および図2に示した。図1において、希土類蓄冷材粒子1の表面部には、溝型凹部2が長さRに渡って形成されている。図2において、希土類蓄冷材粒子1表面には、長さRの穴型凹部3が形成されている。なお、凹部の形状は、溝状、穴状など様々な形状でよい。なお、図2に示すような長さRの穴型凹部3を複数形成する場合は、各凹部3,3…の長さR1,R2…の合計値を「凹部の長さR」とする。
An example of the regenerator material particle 1 having the
凹部の長さRは粒子表面で円周長(πD)の1/10〜1/2の長さに規定される。この凹部の長さRが円周長の1/10未満では凹部が過小であり、蓄冷材粒子の表面積拡大効果がほとんどない。 The length R of the recess is defined as 1/10 to 1/2 of the circumferential length (πD) on the particle surface. When the length R of the concave portion is less than 1/10 of the circumferential length, the concave portion is excessively small, and there is almost no effect of increasing the surface area of the cold storage material particles.
一方、凹部の長さRが円周長の1/2を超えるように過大になると、凹部が大きすぎて蓄冷材粒子の構造強度の低下を招く。構造強度が低下すると蓄冷材粒子を蓄冷容器に充填する時や冷凍機を稼働している時の衝撃や振動で蓄冷材粒子が割れる問題が発生し易い。凹部の長さRのより好ましい範囲は円周長の1/10〜1/3である。 On the other hand, when the length R of the concave portion is excessively large so as to exceed 1/2 of the circumferential length, the concave portion is too large and the structural strength of the cold storage material particles is lowered. When the structural strength is reduced, a problem that the regenerator material particles break due to impact or vibration when the regenerator particles are filled in the regenerator container or the refrigerator is operating is likely to occur. A more preferable range of the length R of the recess is 1/10 to 1/3 of the circumferential length.
また、上記凹部は複数個形成しても良いが、凹部を過量に形成すると蓄冷材粒子の強度が低下するので蓄冷材粒子一粒あたり凹部の個数は2個以下、好ましくは1個である。また図1Bに示すように、凹部2が1個であったとしても凹部2の深さdが過度に深いと蓄冷材粒子1の強度低下を招く。そのため、凹部の深さdは蓄冷材粒子1の直径(粒径D)の1/10以下であることが好ましい。
A plurality of the recesses may be formed. However, if the recesses are formed in an excessive amount, the strength of the cold storage material particles decreases, so the number of the recesses per cool storage material particle is two or less, preferably one. Further, as shown in FIG. 1B, even if the number of the
凹部長さRの測定は、個々の蓄冷材粒子1の拡大写真を撮り、そこに写る粒子1の直径D、凹部長さRを測定する。なお、蓄冷材粒子が楕円形上の場合は、(長径L+短径S)/2を直径Dとして円周長(πD)を求めるものとする。凹部2,3の深さdについても拡大写真を用いる方法が有効である。このような方法としてAFM顕微鏡を使う方法が挙げられる。
The recess length R is measured by taking an enlarged photograph of each regenerator particle 1 and measuring the diameter D and the recess length R of the particle 1 appearing there. When the regenerator material particles are elliptical, the circumferential length (πD) is obtained with (major axis L + minor axis S) / 2 as diameter D. A method using an enlarged photograph is also effective for the depth d of the
本発明では、このような凹部2,3を具備する蓄冷材粒子1を全体個数の30%以上含有させることを特徴とするものである。凹部を具備する蓄冷材粒子の個数の測定は、200粒の拡大写真を撮影し、写真に写る凹部を具備する蓄冷材粒子の個数を測定し、(凹部を有する蓄冷材粒子の個数/200粒)×100(%)により求める。この作業を別々の200粒群を選択して3回実施し、その平均値を、凹部を有する粒子の個数割合とする。
In the present invention, the regenerator particles 1 having
上記凹部を有する蓄冷材粒子の個数割合が30%未満では、蓄冷材粒子と作動媒体ガスとの接触表面積の拡大効果が小さい。上記所定の凹部を具備する蓄冷材粒子の個数割合のより好ましい範囲は50%以上100%以下である。 When the number ratio of the regenerator particles having the recesses is less than 30%, the effect of expanding the contact surface area between the regenerator particles and the working medium gas is small. A more preferable range of the number ratio of the regenerator particles having the predetermined recess is 50% or more and 100% or less.
以上のように所定の凹部を有する蓄冷材粒子の個数割合を調整した希土類蓄冷材粒子群は、10K以下、さらには4K以下の極低温領域を形成するために用いる冷凍機に好適である。 As described above, the rare earth regenerator particle group in which the number ratio of the regenerator particles having a predetermined recess is adjusted is suitable for a refrigerator used for forming a cryogenic region of 10K or less, and further 4K or less.
上記冷凍機には、蓄冷材粒子を充填するための蓄冷容器が備わる。そして、前記蓄冷材粒子が充填された蓄冷容器が冷凍機に搭載される。このとき、蓄冷容器を2基以上接続したり、または蓄冷容器内にメッシュ材を介して蓄冷材充填領域を2段以上設けることにより、多段式冷凍機にすることも可能である。この多段式冷凍機は、多段式に構成されることにより蓄冷材充填領域を増大化させることができるため、冷凍能力を大幅に高めることができる。 The refrigerator is provided with a cold storage container for filling the cold storage material particles. And the cool storage container with which the said cool storage material particle was filled is mounted in a refrigerator. At this time, it is also possible to make a multistage refrigerator by connecting two or more cool storage containers or providing two or more cool storage material filling regions via a mesh material in the cool storage container. Since this multistage refrigerator is configured in a multistage manner, the regenerator filling region can be increased, and thus the refrigerating capacity can be significantly increased.
本発明に係る冷凍機は、一段式においては蓄冷容器内に本発明の希土類蓄冷材粒子群を充填するものとする。また、多段式の冷凍機においては、少なくとも1つの蓄冷材充填領域(冷却ステージ)に本発明の希土類蓄冷材粒子群を充填するものとする。多段式の場合、すべての蓄冷材充填領域に本発明の希土類蓄冷材粒子群を充填することが好ましいが、求める冷凍能力によっては、他の蓄冷材充填領域に他の蓄冷材を充填してもよい。なお、メッシュ材は銅や銅合金などの金属メッシュ材が挙げられる。 In the refrigerator according to the present invention, the rare earth regenerator particle group of the present invention is filled in a regenerator in a single-stage type. In a multistage refrigerator, at least one regenerator material filling region (cooling stage) is filled with the rare earth regenerator particle group of the present invention. In the case of a multi-stage type, it is preferable to fill all the regenerator material filling regions with the rare earth regenerator particle group of the present invention, but depending on the refrigeration capacity to be obtained, other regenerator materials may be filled with other regenerator materials. Good. Examples of the mesh material include metal mesh materials such as copper and copper alloys.
また、冷凍機の冷凍能力は、Heガスなどの作動媒体ガスと蓄冷材粒子をいかに効率よく作動媒体ガスと蓄冷材粒子を接触させるかによって決定される。本発明に係る希土類蓄冷材粒子群は、丸い粒子形状を維持した上で、その表面に凹部を設けてあるので、蓄冷材粒子の高密度充填を維持しつつ、作動媒体ガスの通気抵抗を悪化させず、その上で作動媒体ガスと蓄冷材粒子との接触表面積を増大化させることができる。特に、多段式冷凍機のように冷凍機内を作動媒体ガスが高圧で往復するタイプに効果的である。 The refrigerating capacity of the refrigerator is determined by how efficiently the working medium gas such as He gas and the cold storage material particles are brought into contact with each other. The rare earth regenerator particle group according to the present invention maintains a round particle shape and has a concave portion on the surface thereof, so that the air resistance of working medium gas is deteriorated while maintaining high density filling of the regenerator particles. In addition, the contact surface area between the working medium gas and the regenerator particles can be increased. In particular, it is effective for a type in which the working medium gas reciprocates at a high pressure in the refrigerator, such as a multistage refrigerator.
また、このような冷凍機は、超電導磁石を稼働させるための冷凍機に好適である。超電導技術は、磁気浮上列車や核磁気共鳴装置などに使用されている。特に核磁気共鳴装置は、人体用のMRI装置や、非人体用のNMR装置など幅広く使われている。また、半導体製造装置に使われるクライオポンプなどにも適用できる。いずれの場合も冷凍機の冷凍特性の向上により測定装置の信頼性や特性向上につながる。 Moreover, such a refrigerator is suitable for a refrigerator for operating a superconducting magnet. Superconducting technology is used in magnetic levitation trains and nuclear magnetic resonance apparatuses. In particular, the nuclear magnetic resonance apparatus is widely used such as an MRI apparatus for a human body and an NMR apparatus for a non-human body. It can also be applied to cryopumps used in semiconductor manufacturing equipment. In any case, the improvement of the refrigeration characteristics of the refrigerator leads to the improvement of the reliability and characteristics of the measuring device.
次に、本発明の希土類蓄冷材粒子群の製造方法について説明する。まず、本発明の希土類蓄冷材粒子群の製造方法としては、凹部を有する希土類蓄冷材粒子と、凹部を有さない希土類蓄冷材粒子を所定量混合する方法が挙げられる。 Next, the manufacturing method of the rare earth regenerator material particle group of this invention is demonstrated. First, as a method for producing the rare earth regenerator material particle group of the present invention, a method of mixing a predetermined amount of a rare earth regenerator material particle having a recess and a rare earth regenerator material particle having no recess.
また、これ以外の方法として、効率よく本発明の希土類蓄冷材粒子群を製造する方法として次のものを示す。 Moreover, as a method other than this, the following is shown as a method for efficiently producing the rare earth regenerator particle group of the present invention.
図3に製造方法の一例を示した。図3は金属溶湯を、円板状回転体によって分散し凝固させる回転円板法(RDP:Rotary Disc Process)による製造装置の構成を示す断面斜視図である。この製造装置は、冷却チャンバ9と、円板状回転体10と、とりべ11と、金属溶湯12と、注湯ノズル13と、希土類蓄冷材粒子(群)14と、粒子回収容器15とを備えて構成される。
FIG. 3 shows an example of the manufacturing method. FIG. 3 is a cross-sectional perspective view showing a configuration of a manufacturing apparatus by a rotating disc method (RDP) in which a molten metal is dispersed and solidified by a disc-like rotating body. The manufacturing apparatus includes a cooling chamber 9, a disk-like
図3に示す回転円板法による回転ディスク式急冷装置では、まず、希土類元素と必要に応じ他の成分とを所定量で含有した金属溶湯を調製する。他の成分とはEr3Niの場合はNi、HoCu2の場合はCuである。このため、金属溶湯は目的とする希土類蓄冷材の構成元素と同じものを調製することになる。In the rotating disk quenching apparatus using the rotating disk method shown in FIG. 3, first, a molten metal containing a rare earth element and other components as required is prepared in a predetermined amount. The other components are Ni in the case of Er 3 Ni and Cu in the case of HoCu 2 . For this reason, the same molten metal as the constituent element of the intended rare earth regenerator material is prepared.
金属溶湯12をとりべ11に注入し、注湯ノズル13を介して、円板状回転体(回転ディスク)10に金属溶湯12が供給される。金属溶湯12は高速回転した円板状回転体10上で弾かれ、冷却チャンバ9内を落下していく最中に急冷され希土類蓄冷材粒子14となる。希土類蓄冷材粒子14は粒子回収容器15内に落下し、希土類蓄冷材粒子群となる。
The
平均粒径が0.01〜3mmである蓄冷材粒子を製造するには、注湯ノズルに設けられた噴射孔の直径を0.05〜2mmに設定することが好ましい。また、円板状回転体10の回転速度は7000〜11000rpmが好ましい。回転速度と噴射孔(注湯ノズル13)のサイズ調整により得られる希土類蓄冷材粒子の平均粒径を調整する。
In order to produce cold storage material particles having an average particle diameter of 0.01 to 3 mm, it is preferable to set the diameter of the injection holes provided in the pouring nozzle to 0.05 to 2 mm. Moreover, as for the rotational speed of the disk shaped
第一、第二の製造方法を適用する場合、円板状回転体10の回転速度は7000rpm以上の高速回転であることが好ましい。また、過度に回転速度が速いとアスペクト比が2を超えた蓄冷材粒子が形成され易いので、回転速度の上限は11000rpmが好ましい。
When applying the first and second manufacturing methods, the rotational speed of the disk-shaped
また、円板状回転体10で弾かれた金属溶湯12は、アルゴン雰囲気中で急冷されることが好ましい。アルゴン雰囲気であれば不純物ガス成分(酸素、窒素)の混入を防ぐことができる。不活性ガスとして窒素を用いると金属溶湯と反応してしまうので、冷却チャンバ雰囲気として窒素は使えない。同様の理由で大気も不可である。
Moreover, it is preferable that the
分散された金属溶湯12の冷却速度は、1000℃から室温まで10秒以下、さらには5秒以下であることが好ましい。なお、金属溶湯12の温度は材料によって変化するものであるため、初期温度は1000℃を超える場合もある。また、冷却チャンバ9の内装は耐熱性樹脂によるコーティングが施されていることが好ましい。樹脂コーティングであれば希土類蓄冷材粒子が接触した時に不純物金属の混入を防ぐことができる。同様に粒子回収容器15の内装も樹脂コーティングが施されていることが好ましい。不純物ガス成分や不純物金属成分の混入を防ぐことにより、例えば、酸素含有量100ppm以下、窒素が20ppm以下、Alが50pm以下、Siが30ppm以下と小さくすることができる。
The cooling rate of the dispersed
本発明の第一の希土類蓄冷材粒子群の製造方法は、7000〜11000pmで高速回転した回転ディスクに対して、直径0.05〜2mmの噴射孔を有する注湯ノズル13から金属溶湯12を供給する。回転ディスク10で弾かれた粒状金属溶湯は急冷される。所定の回転速度で回転する回転ディスク10で弾かれた粒状金属溶湯は、勢いよく弾かれ粒状のまま急冷されていく。このとき、粒状金属溶湯は弾かれた進行方向から急冷されて行くことになる。冷却チャンバ9内をアルゴン雰囲気で密閉していることから、アルゴン雰囲気の空気抵抗を受けながら希土類蓄冷材粒子14になる。
The first method for producing a rare earth regenerator material particle group of the present invention supplies
ここで、粒状金属溶湯は空気抵抗を受けているため、粒子の進行方向後部はアルゴンを巻き込みながら飛散および急冷されることになり、このアルゴンの巻き込みが溝状凹部の原因となる。このため、回転ディスク10の回転速度と、金属溶湯12の投入量に関連する注湯ノズル13の直径を調製することにより溝状凹部2の形成状態を制御することができる。また、弾かれた粒状金属溶湯が飛散、冷却する時に、粒状金属溶湯同士が瞬間的にぶつかり合うことにより、図2に示すような穴状凹部3が形成される。
Here, since the granular metal melt is subjected to air resistance, the rear part in the traveling direction of the particles is scattered and rapidly cooled while the argon is involved, and the inclusion of the argon causes the groove-like recess. For this reason, the formation state of the groove-shaped
また、回転ディスク10はセラミックス製であることが好ましい。セラミックスとしてはアルミナ(Al2O3)、窒化硼素(BN)などが挙げられる。回転ディスク10が金属製である場合には、希土類蓄冷材中に金属不純物を混入する恐れがある。The
また、回転ディスク10は予め温度800℃以上に予熱してから、金属溶湯12を供給する方法が好ましい。回転ディスク10が温まっていないと、金属溶湯12と回転ディスク10が接した時に瞬間的に急冷されてしまい、回転ディスク10に金属溶湯12が付着してしまう。金属溶湯12を円滑にかつ均一に弾くためには、予め温度800℃以上に回転ディスク10を予熱しておくことが好ましい。なお、予熱温度の上限は特に限定されるものではないが、1000℃が好ましい。回転ディスク10は、図3に示すように、冷却チャンバ9内に設けられることもあるため、過度に予熱温度が高いと冷却チャンバ9内が高温となり、金属溶湯12の急冷工程が不十分となるおそれがある。
Further, it is preferable that the
また、上記予熱方法としては、回転ディスク10にヒータを設ける方法や、希土類蓄冷材粒子の原料となる金属溶湯12を一定時間接触させて回転ディスク10を予熱する方法などがある。予熱をする必要性からも、回転ディスク10はセラミックス製であることが好ましい。
Examples of the preheating method include a method of providing a heater on the
また、回転ディスク10の直径は20〜100mmの範囲が好ましい。直径が20mm未満では回転ディスクが小さいために、金属溶湯12を供給する際の位置合わせを正確に行わないと金属溶湯12が回転ディスク10に当たらずに直接落下してしまう可能性がある。特に、冷却チャンバ9の底部に回収容器15を設けている場合は、処理製品が不良となってしまうので留意する必要がある。一方、回転ディスク10の直径が100mmを超える場合、回転ディスク10を予熱した時に、ディスクが熱を保持し過ぎることになり、冷却チャンバ9内を加熱してしまい、冷却工程に悪影響を与えるおそれがある。
The diameter of the
図4に製造方法の他の一例を示した。図4は金属溶湯を、噴射孔を有する回転ノズルによって分散し凝固させる回転ノズル法による蓄冷材粒子群の製造装置の構成例を示す断面斜視図である。この製造装置は、冷却チャンバ9と、とりべ11と、金属溶湯12と、希土類蓄冷材粒子(群)14と、回転ノズル21と、噴射孔22とを備えて構成される。
FIG. 4 shows another example of the manufacturing method. FIG. 4 is a cross-sectional perspective view showing a configuration example of an apparatus for producing a regenerator material particle group by a rotating nozzle method in which a molten metal is dispersed and solidified by a rotating nozzle having injection holes. The manufacturing apparatus includes a cooling chamber 9, a
金属溶湯の調製については前述と同様である。 The preparation of the molten metal is the same as described above.
回転ノズル21の側面には、小さな穴(噴射孔)22が設けられており金属溶湯12が、回転ノズル21を高速回転させることにより噴射孔22から液滴状金属溶湯が飛び出してくる。噴射孔22から飛び出した金属溶湯12は冷却チャンバ9内を落下していく最中に急冷され希土類蓄冷材粒子14となる。希土類蓄冷材粒子14は図示しない粒子回収容器内に落下し、希土類蓄冷材粒子群14となる。
A small hole (injection hole) 22 is provided on the side surface of the
平均粒径が0.01〜3mmである蓄冷材粒子14を製造するためには、回転ノズル21に設けられた噴射孔22の直径は0.05〜2mmに設定することが好ましい。また、円板状回転ノズル21の回転速度は7000〜11000rpmである。回転速度と噴射孔22のサイズ調整により、得られる希土類蓄冷材粒子の平均粒径が制御される。回転ノズル21の回転速度が過度に速いと、アスペクト比が2を超えた蓄冷材粒子が形成され易いので、その上限は11000rpmが好ましい。
In order to manufacture the
また、噴射孔22から飛び出した粒状金属溶湯12は、アルゴン雰囲気中で急冷されることが好ましい。アルゴン雰囲気中であれば、不純物ガス成分(酸素、窒素)の混入を防ぐことができる。粒状金属溶湯12の冷却速度は、1000℃から室温まで10秒以下、さらには5秒以下であることが好ましい。なお、金属溶湯の温度は材料によって変化するため、初期温度は1000℃を超える場合もある。また、冷却チャンバ9の内装は耐熱性樹脂によるコーティングが施されていることが好ましい。樹脂コーティングであれば希土類蓄冷材粒子が接触した場合でも、不純物金属の混入を防ぐことができる。同様に粒子回収容器の内装も樹脂コーティングが施されていることが好ましい。不純物ガス成分や不純物金属成分の混入を防ぐことにより、例えば、酸素含有量が100ppm以下、窒素が20ppm以下、Alが50pm以下、Siが30ppm以下と小さくすることができる。
Moreover, it is preferable that the
図4に示すような回転ノズル21を備えた回転ノズル式急冷装置を使用する場合であっても、回転ノズル21を予め温度800℃以上に予熱しておくことが好ましい。予熱しておくことにより、金属溶湯12が回転ノズル21内で必要以上に冷却されてしまうことが防止できる。回転ノズル21の予熱温度の上限は、特に限定されるものではないが、1000℃が好ましい。回転ノズル21は冷却チャンバ9内に設けられることもあるため、過度に予熱温度が高いと冷却チャンバ9内が高温となり急冷工程が不十分となるおそれがある。
Even in the case of using a rotary nozzle type quenching apparatus equipped with the
回転ノズル方式は、回転ノズル21の側面に設けた噴射口22の数を多数設けることにより、回転ディスク方式と比較して、一度により多量の蓄冷材粒子を製造することができる。また、回転ノズル21の直径は10〜50cmの範囲が好ましい。
In the rotating nozzle method, by providing a large number of
また、本発明に係る蓄冷材粒子群の製造方法によれば、凹部の有る粒子と無い粒子とが混在している場合が多い。この粒子群の中から凹部の有る希土類蓄冷材粒子のみを抽出するには、所定の傾斜面を転動させて選別する方法が効果的である。また粒子表面に凹部が形成されていると、若干ではあるが表面摩擦が小さくなるので、凹部の無いものと比較して早い速度で転がり落ちる。この落下速度差を利用して選別することも可能である。 Moreover, according to the manufacturing method of the cool storage material particle group which concerns on this invention, the particle | grains with a recessed part and the particle | grains which do not have are often mixed. In order to extract only the rare earth regenerator material particles having the recesses from the particle group, a method of sorting by rolling a predetermined inclined surface is effective. Further, when the concave portion is formed on the surface of the particle, the surface friction is slightly reduced, but the roller rolls down at a higher speed than that without the concave portion. It is also possible to sort using this drop speed difference.
また、希土類酸化物粒子や希土類酸硫化物粒子などの急冷凝固法を適用するのが困難な場合には、焼結法により得られた焼結体の表面を研磨して所定の粒子を得た後に、必要な凹部を形成する方法も採用できる。 In addition, when it is difficult to apply a rapid solidification method such as rare earth oxide particles or rare earth oxysulfide particles, the surface of the sintered body obtained by the sintering method was polished to obtain predetermined particles. Later, a method of forming necessary concave portions can also be adopted.
[実施例]
(実施例1〜5,参考例6および比較例1)
HoとCuとをHoCu2の割合となるように金属溶湯を調製した。次に、図3に示す回転ディスク式急冷装置を用いて、セラミックス製回転ディスク10上に注湯ノズル13から金属溶湯12を液滴して弾くことにより、各実施例,参考例および比較例に係る希土類蓄冷材粒子群14を製造した。なお、急冷操作はアルゴン雰囲気により1000℃から室温までを5秒以下で到達する冷却速度で行った。この時、注入ノズル形状(噴射孔直径)、回転ディスク速度等を表1に示す条件で製造工程を実施した。また、内装として樹脂コーティングが施された冷却チャンバ9を使用した。
[Example]
(Examples 1 to 5, Reference Example 6 and Comparative Example 1)
The molten metal was prepared and Ho and Cu such that the ratio of HoCu 2. Next, by using the rotating disk type quenching device shown in FIG. 3, the
一方、比較例1として回転速度が2000rpmと遅い条件で製造したものを用意した。
表1に示す条件で作製した希土類蓄冷材粒子群の平均粒子径、アスペクト比が2以下である蓄冷材粒子の割合(個数割合)、粒子表面に円周長の1/10〜1/2の長さの凹部を有する粒子の割合(個数割合)を測定した。各パラメータの測定は前述の方法で実施した。その結果を下記表2に示す。
上記表1および表2に示す結果から明らかなように、本実施例に係る製造方法を用いて製造された蓄冷材粒子群は、所定の凹部を有するものが得られた。また、凹部形状は、溝状凹部および穴状凹部の両方が存在することが確認された。なお、参考例6のように予熱温度が低いと凹部の深さが大きい粒子が確認された。また、比較例1のように回転速度が遅いと、アスペクト比が2以下となる蓄冷材粒子の割合が大幅に減少した。また、比較例1では、アルゴンの巻き込みが少ないので凹部の形成も少なかった。 As is clear from the results shown in Tables 1 and 2, the regenerator material particle group produced using the production method according to this example had a predetermined recess. Further, it was confirmed that the recess shape includes both a groove-shaped recess and a hole-shaped recess. In addition, when preheating temperature was low like the reference example 6, the particle | grains with a large depth of a recessed part were confirmed. Moreover, when the rotational speed was slow as in Comparative Example 1, the ratio of the regenerator particles having an aspect ratio of 2 or less was significantly reduced. Further, in Comparative Example 1, there was little formation of concave portions because there was little argon involved.
(実施例7〜11,参考例12および比較例2)
HoとCuをHoCu2の割合となるように金属溶湯を調製した。次に、図4に示す回転ノズル式急冷装置を用い、表3に示す回転ノズル仕様および条件のもとで、回転ノズル21に注湯ノズルから金属溶湯12を投入して回転ノズル21の側面に設けられた複数の噴射孔22から噴出させ、雰囲気ガスで急冷せしめることにより、各実施例,参考例及び比較例に係る希土類蓄冷材粒子群を製造した。なお、上記急冷操作はアルゴン雰囲気により1000℃から室温までを5秒以下で到達する冷却速度で実施した。このとき、噴射孔形状、回転速度は表3の条件に設定した。また、冷却チャンバ9の内装は、樹脂コーティングが施されたものを使用した。
The molten metal was prepared Ho and Cu such that the ratio of HoCu 2. Next, using the rotary nozzle type quenching device shown in FIG. 4, the
表3に示す条件で作製した希土類蓄冷材粒子群の平均粒子径、アスペクト比が2以下である蓄冷材粒子の割合(個数割合)、粒子表面に円周長の1/10〜1/2の長さを有する凹部が形成された粒子の割合(個数割合)および粒径Dに対する凹部の深さdの比を測定した。各パラメータの測定は前述の方法で行った。その結果を表4に示す。
上記表4に示す結果から明らかなように、各実施例に係る希土類蓄冷材粒子群は、所定の凹部を有するものが得られた。また、凹部形状は、溝状凹部および穴状凹部の両方が存在することが確認された。なお、参考例12のように予熱温度が低いと、凹部の深さが大きくなった粒子が確認された。また、比較例2のように回転速度が遅いと、アスペクト比が2以下である蓄冷材粒子の割合は高いが、アルゴンの巻き込みが少ないために、凹部の形成が少なかった。 As is clear from the results shown in Table 4 above, the rare earth regenerator particle group according to each example had a predetermined recess. Further, it was confirmed that the recess shape includes both a groove-shaped recess and a hole-shaped recess. In addition, when preheating temperature was low like the reference example 12, the particle | grains with which the depth of the recessed part became large were confirmed. In addition, when the rotational speed was low as in Comparative Example 2, the ratio of the regenerator particles having an aspect ratio of 2 or less was high, but the formation of recesses was small because of the small amount of argon involved.
また、回転ディスク法と比較すると、凹部を有する粒子の割合が小さくなった。これは、回転ノズル法では噴射口から金属溶湯を粒状に噴射するのに対し、回転ディスク法は高速回転したディスクで弾く方法である。弾く操作が凹部形成に効果的であると考えられる。 In addition, the proportion of particles having recesses was reduced as compared with the rotating disk method. In the rotating nozzle method, the molten metal is sprayed in a granular form from the injection port, whereas the rotating disk method is a method of playing with a disk rotated at high speed. It is considered that the flipping operation is effective for forming the recess.
(実施例13〜17,参考例18,実施例19〜23,参考例24および比較例3)
実施例1〜5,参考例6,実施例7〜12,参考例12および比較例1の希土類蓄冷材粒子群を蓄冷容器に最密充填(充填率約68%)し、GM冷凍機を作製した。
(Examples 13 to 17, Reference Example 18, Examples 19 to 23, Reference Example 24, and Comparative Example 3)
The rare earth regenerator particles of Examples 1 to 5, Reference Example 6, Examples 7 to 12, Reference Example 12 and Comparative Example 1 are closely packed in a regenerator (filling rate: about 68%) to produce a GM refrigerator. did.
ここで、試験用GM冷凍機の構造を図5に示した。GM冷凍機30は図5に示すように真空槽31内に直列に配置した外筒32、33と、この外筒32、33内にそれぞれ往復動自在に配設された第1蓄冷器34および第2蓄冷器35と、第1蓄冷器34内に第1蓄冷材として充填されたCuメッシュ材36と、第2蓄冷器35内に充填された本実施例に係る第2蓄冷材粒子群(1c)と、外筒32内にHeガスを供給する圧縮機37とから成る。
Here, the structure of the test GM refrigerator is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the
外筒32、33と第1および第2蓄冷器34、35との間にはシールリング38、39がそれぞれ介装されている。また外筒32と第1蓄冷器34との間には第1膨脹室40が形成される一方、外筒33と第2蓄冷器35との間には第2膨脹室41が形成される。各第1および第2膨脹室40、41の下端部にそれぞれ第1冷却ステージ42および第2冷却ステージ43が形成される。
Seal rings 38 and 39 are interposed between the
また各実施例および比較例で調製した蓄冷材粒子群の特性を測定するために、第2冷却ステージ43の温度を測定する抵抗温度計44および第2冷却ステージ43に熱負荷を与えるヒータ45が第2冷却ステージ43に付設されている。
In addition, in order to measure the characteristics of the regenerator material particle groups prepared in each example and comparative example, a
蓄冷容器は直径50mm×長さ80mmのもの(肉厚1mmのステンレス管)を用いた。各冷凍機において、作動媒体ガス(Heガス)の通気性、および冷凍能力について測定した。その結果を表5に示す。なお、通気性の測定は、熱容量25J/Kの作動媒体ガスを3g/secの質量流量、16atmのガス圧力で供給して連続500時間運転した後の作動媒体ガスの質量流量を測定し、比較例3(比較例1の蓄冷材を使った冷凍機)における通気性としての質量流量を100(基準値)とした時の相対値で示した。この数値が100よりも大きいと相対的に通気性が良いと判断される。 A cold storage container having a diameter of 50 mm and a length of 80 mm (a stainless steel tube having a thickness of 1 mm) was used. In each refrigerator, the air permeability of the working medium gas (He gas) and the refrigerating capacity were measured. The results are shown in Table 5. The air permeability is measured by measuring the mass flow rate of working medium gas after supplying a working medium gas with a heat capacity of 25 J / K at a mass flow rate of 3 g / sec and a gas pressure of 16 atm and operating continuously for 500 hours. The value is shown as a relative value when the mass flow rate as air permeability in Example 3 (a refrigerator using the regenerator material of Comparative Example 1) is 100 (reference value). If this value is larger than 100, it is judged that the air permeability is relatively good.
また、冷凍能力は蓄冷材粒子群1cの冷凍能力を測定する場合は、第1蓄冷器34にCuメッシュ材36を充填する一方、第2蓄冷器35に蓄冷材粒子群1cを充填し、GM冷凍機30を毎分60サイクルで運転した。圧縮機37によって20気圧に圧縮されたHeガスは第1膨脹室40および第2膨脹室41で繰り返して断熱膨脹する。発生した冷熱は、それぞれCuメッシュ材36および蓄冷材1cに蓄積される。
In addition, when measuring the refrigerating capacity of the regenerator
本実施例における冷凍能力は、冷凍機運転時にヒータ45によって第2冷却ステージ43に熱負荷を作用させ、第2冷却ステージ43の温度上昇が6Kで停止した時の熱負荷で定義した。その結果を表5に示す。
上記表5に示す結果から明らかなように、各実施例に係る冷凍機は冷凍能力の向上が確認できた。これは凹部を設けたために希土類蓄冷材粒子とHeガスとの接触表面積が増加したためである。また、通気性に関しては実施例15および実施例21では劣ったが、これは平均粒径が比較例3より小さい希土類蓄冷材粒子群を使用したためである。 As is clear from the results shown in Table 5 above, it was confirmed that the refrigerators according to the respective examples were improved in refrigeration capacity. This is because the contact surface area between the rare earth regenerator material particles and the He gas is increased because the recess is provided. Moreover, although air permeability was inferior in Example 15 and Example 21, this is because the rare earth regenerator material particle group whose average particle diameter is smaller than the comparative example 3 was used.
また、500時間後の蓄冷材粒子の破損について確認したが、参考例18と参考例24以外の実施例に係るものと比較例に係るものでは破損が確認されず、蓄冷材粒子の強度は従来品と同等以上であることが確認された。 Moreover, although it confirmed about the failure | damage of the cool storage material particle | grains after 500 hours, damage was not confirmed by the thing which concerns on an Example other than the reference example 18 and the reference example 24, and the thing which concerns on a comparative example, and the intensity | strength of a cool storage material particle is conventional. It was confirmed that it is equal to or better than the product.
一方、参考例18および参考例24では蓄冷材粒子に若干の割れが確認された。このため、凹部の深さは直径の1/10以下が良いことが判明した。
On the other hand, in Reference Example 18 and Reference Example 24, some cracks were confirmed in the regenerator particles. For this reason, it was found that the depth of the recess is preferably 1/10 or less of the diameter.
(実施例25〜27および比較例4)
次に表5に示す蓄冷材を使用して2段式パルス管冷凍機を製造し、同様に特性の測定を実施した。なお、パルス管冷凍機の運転条件は、高圧時のHeガス圧力を2.3MPa、低圧時のHeガス圧力を0.9MPaとした。また、蓄冷容器の寸法は、直径50mm×長さ100mmの容器(肉厚1mmのステンレス管)を使用した。
Next, a two-stage pulse tube refrigerator was manufactured using the regenerator material shown in Table 5, and the characteristics were similarly measured. The operating conditions of the pulse tube refrigerator were a high pressure He gas pressure of 2.3 MPa and a low pressure He gas pressure of 0.9 MPa. Moreover, the dimension (50 mm in diameter x 100 mm long container (thickness stainless steel pipe | tube)) was used for the dimension of a cool storage container.
上記表6に示す結果から明らかなように、各実施例に係る蓄冷材を使用した冷凍機では通気性および冷却能力が共に向上した。特に、第一および第二ステージの両方に本実施例に係る希土類蓄冷材粒子群を用いた実施例25、26では、特に優れた冷凍性能が得られた。 As is clear from the results shown in Table 6 above, both the air permeability and the cooling capacity were improved in the refrigerator using the cold storage material according to each example. Particularly excellent refrigerating performance was obtained in Examples 25 and 26 using the rare earth regenerator particle group according to this example for both the first and second stages.
(実施例28〜30)
希土類蓄冷材粒子を、Ndに変えたものを実施例28、Er3Niに変えたものを実施例29、ErNiに変えたものを実施例30とし、同様の測定を行った。製造方法は実施例1と同様の回転ディスク法を用いた。注湯ノズルの噴射孔の直径、回転ディスクの仕様および運転条件は表7に示す通りである。
The same measurement was performed with the rare earth regenerator material particles changed to Nd as Example 28, the Er 3 Ni changed into Example 29, and the ErNi changed into Example 30. As the manufacturing method, the same rotating disk method as in Example 1 was used. Table 7 shows the diameter of the injection hole of the pouring nozzle, the specification of the rotating disk, and the operating conditions.
得られた各実施例に係る希土類蓄冷材粒子群の形状について、前記実施例と同様に測定した。その結果を下記表8に示す。
上記表8に示すような実施例28〜30に係る希土類蓄冷材粒子群を、実施例13と同様のGM冷凍機の蓄冷容器に充填して各冷凍機を組み立てて、実施例13と同様に通気性および冷凍能力の測定を実施した。その結果を下記表9に示す。
上記表9に示す結果から明らかなように、各実施例に係る蓄冷材粒子群を使用した冷凍機では、いずれも通気性および冷却能力が共に向上した。これらの結果から、材料組成が変更されても、本発明は有効に機能することが判明した。 As is clear from the results shown in Table 9 above, in the refrigerator using the regenerator particle group according to each example, both the air permeability and the cooling capacity were improved. From these results, it was found that the present invention functions effectively even when the material composition is changed.
本発明の希土類蓄冷材粒子群によれば、高密度充填を維持した上で、Heガス等の作動媒体ガスと蓄冷材粒子群との接触表面積を増大化させた希土類蓄冷材粒子を提供することができる。このため、上記蓄冷材粒子群を使用した冷凍機、さらにはその冷凍機を使用した測定装置の特性をも向上させることができる。 According to the rare earth regenerator particle group of the present invention, it is possible to provide a rare earth regenerator particle having an increased contact surface area between a working medium gas such as He gas and the regenerator particle group while maintaining high-density filling. Can do. For this reason, the characteristic of the refrigerator using the said cool storage material particle group, and also the measuring apparatus using the refrigerator can be improved.
また、本発明の希土類蓄冷材粒子群の製造方法によれば、本発明の希土類蓄冷材粒子群を効率よく製造することができる。また、本発明の希土類蓄冷材粒子を用いれば、効率よく希土類蓄冷材粒子群を構成することができる。 Moreover, according to the method for producing the rare earth regenerator material particle group of the present invention, the rare earth regenerator material particle group of the present invention can be efficiently produced. Moreover, if the rare earth regenerator material particle of this invention is used, a rare earth regenerator particle group can be comprised efficiently.
1…希土類蓄冷材粒子
2…溝状凹部
3…穴状凹部
9…冷却チャンバ
10…円板状回転体
11…とりべ
12…金属溶湯
13…注湯ノズル
14…希土類蓄冷材粒子(群)
15…粒子回収容器
30…GM冷凍機
31…真空槽31
32,33…外筒
34…第1蓄冷器
35…第2蓄冷器
36…Cuメッシュ材
1c…第2蓄冷材粒子群
37…圧縮機
38、39…シールリング
40…第1膨脹室40
41…第2膨脹室41
42…第1冷却ステージ
43…第2冷却ステージ
44…抵抗温度計
45…ヒータDESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Rare earth
15 ...
32, 33 ...
41 ...
42 ...
Claims (8)
この凹部の深さが希土類蓄冷材粒子の直径の1/10以下であることを特徴とする希土類蓄冷材粒子。 In the rare earth regenerator particle having a particle size of 0.01 to 3 mm, the ratio of the major axis to the minor axis is 2 or less, and a concave portion having a length of 1/10 to 1/2 of the circumferential length is formed on the particle surface. Has been
Rare earth regenerator particles characterized in that the depth of the recesses is 1/10 or less of the diameter of the rare earth regenerator particles.
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